2 Основна частина

2.1 Розрахунок зовнішнього теплообміну

Вихідними даними для розрахунку нагрівання зливків у нагрівальному колодязі служить розрахунок горіння палива, наведений у додатку А, а також наступні вихідні дані [6].

Ширина робочого простору колодязя, м.

Висота камери, м.

Кількість злитків, штук.

Марка стали 3 Ст.

Початкова температура 0 °С.

Кінцева температура поверхні 1250 °С.

Максимальний перепад температури по товщині злитка 50 °С.

У нагрівальних колодязях з опаленням із центра поду злитки розміщаються по периферії у всіх чотирьох стін колодязя. Якщо розташувати три зливки по сторонах квадрата, то загальне число зливків у камері буде .

Площа поду камери:

м². (2.1)

Площа чотирьох бічних стін камери:

м². (2.2)

Загальна випромінююча поверхня кладки камери:

м².

Загальна випромінююча поверхня зливків:

м².

Сумарна випромінююча поверхня робочої камери:

м².

Об’єм камери колодязя:

м³.

Об’єм зливків:

м³.

Об’єм газів, що заповнюють робочу камеру:

м³.

Кутовий коефіцієнт від кладки на метал:

.

Кутовий коефіцієнт від металу на метал .

Кутовий коефіцієнт від металу на кладку:

.

Середня довжина променя в робочій камері між випромінюючими поверхнями:

.

Сила поглинання й :

;

,

де й – об'ємні відсотки й у продуктах згоряння.

Використовуючи графіки, визначаємо ступеня чорності й , а також виправлення по розрахованим вище значеннях сили поглинання газів для температур 1100, 1200, … , 1500 °С.

Для тих же значень температур розраховуємо:

– ступінь чорноти газів у робочому просторі

; (2.3)

– загальний ступінь чорноти системи газ - кладка – метал

, (2.4)

де – ступінь чорноти металу;

– коефіцієнт випромінювання, віднесений до температури газів у робочій камері

, .

Результати розрахунку зведені у табл. 1.2.

Таблиця 1.2 - Значення коефіцієнтів , ,

Коефіцієнт	Температура, С
	1100	1200	1300	1400	1500
	0,23	0,214	0,197	0,18	0,163
	0,353	0,334	0,315	0,294	0,272
	1,999	1,895	1,784	1,667	1,542

Коефіцієнт випромінювання, віднесений до температури печі:

.

Коефіцієнт, віднесений до температури кладки:

.

2.1.1 Розрахунок нагрівання металу

Визначаємо теплофізичні параметри металу, що нагрівається.

Коефіцієнт теплопровідності стали при різних температурах визначається по формулах:

₀ = 1,163(60 – 8,7C – 14,4Mn – 29Si);

₂₀₀ = 0,95₀; ₄₀₀ = 0,85₀; ₆₀₀ = 0,75₀; ₈₀₀ = 0,68₀;

₁₀₀₀ = 0,68₀; ₁₂₀₀ = 0,73₀; ₁₃₀₀ = 0,5(₁₂₀₀ – ₁₀₀₀) + _1200.

Тут С, Mn, Si – зміст вуглецю, марганцю й кремнію відповідно до хімічного состава стали. Результати розрахунків коефіцієнта теплопровідності сталі й значення ентальпиї стали при різній температурі зведені в таблицю 1.3.

Таблиця 1.3 – Значення  та i для сталі

Параметр	Температура, С
	0	200	400	600	800	1000	1200	1300
, Вт/(м К)	61,53	58,45	52,3	46,149	41,842	41,842	44,918	46,45
i, кДж/кг	0	95,9	206	340	542,63	701,7	844,5	915,7

Визначаємо розрахунковий радіус зливка:

м. (2.5)

Температура центра зливка наприкінці нагрівання:

С.

Середній коефіцієнт теплопровідності зливка наприкінці нагрівання:

Вт/(мК),

де й – коефіцієнти теплопровідності стали при температурах і .

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від печі до зливка наприкінці нагрівання:

Вт/(м²К);

– число Біо

.

Визначаємо коефіцієнти , і , що відповідає розрахованому вище значенню числа Біо ( ).

Середньомасова температура наприкінці нагрівання:

С.

Цій температурі відповідає Вт/(мК).

Щільність теплового потоку на поверхню металу наприкінці нагрівання:

Вт/м².

Температура печі наприкінці нагрівання:

Розрахунок першого періоду нагрівання при M₀ = const.

Оптимальна щільність теплового потоку на початку нагрівання:

Температура печі на початку нагрівання:

Температура диму на початку нагрівання визначається методом послідовних наближень. Приймаємо в першому наближенні:

С.

Знаходимо значення коефіцієнта випромінювання димових газів, що відповідає цій температурі: Вт/(м²К⁴).

Якщо , тоді в другому наближенні приймаємо , а якщо , тоді приймаємо .

Приймаємо .

Знаходимо значення коефіцієнта випромінювання димових газів, що відповідає цій температурі: Вт/(м²К⁴).

Розраховуємо:

Щільність теплового потоку на початку нагрівання повинна виявитися між значеннями щільності теплового потоку в першому й у другому наближеннях, тобто необхідне виконання умови ( або ).

Визначимо температуру диму на початку нагрівання, використовуючи інтерполяційну формулу:

Розрахункова температура джерела теплоти при нагріванні (M₀ = const):

Коефіцієнт використання палива (КВП) на початку нагрівання:

.

Питома робоча теплова потужність при нагріванні (M₀ = const):

.

У процесі першого періоду нагрівання (при M₀ = const) температура печі безупинно підвищується від °С до Температура диму наприкінці першого періоду нагрівання визначається методом послідовного наближення.

Приймаємо в першому наближенні

Знаходимо значення коефіцієнта випромінювання димових газів, що відповідає цій температурі: Вт/(м²К⁴).

Тоді щільність теплового потоку й КВП наприкінці першого періоду нагрівання в першому наближенні:

Питома робоча теплова потужність у першому наближенні:

Якщо , тоді в другому наближенні приймаємо , а якщо , тоді приймаємо .

Приймаємо °С.

Знаходимо значення коефіцієнта випромінювання димових газів, що відповідає цій температурі: Вт/(м²К⁴).

Розраховуємо щільність теплового потоку, КВП і питому робочу теплову потужність в II-му наближенні:

.

Значення питомої теплової потужності повинне виявитися між значеннями в першому й у другому наближеннях, тобто повинне виконуватися умова:

або .

Інтерполяцією знаходимо температуру диму наприкінці першого періоду нагрівання:

Коефіцієнт використання теплоти наприкінці першого періоду:

Щільність теплового потоку наприкінці першого періоду

нагрівання:

Вт/м².

Температура поверхні зливка наприкінці I-го періоду нагрівання:

Орієнтовні значення наприкінці I-го періоду нагрівання:

– коефіцієнт тепловіддачі

– число Біо

де Вт/(мК) – коефіцієнт теплопровідності злитка при температурі  ;

– знаходимо коефіцієнт усереднення теплових потоків, що відповідає розрахованому вище значенню числа Біо ;

– перепад температур по перетині зливка

– температура центра зливка

Уточнені значення:

– коефіцієнт теплопровідності

де Вт/(мК) коефіцієнт теплопровідності зливка при

– число Біо

– знаходимо коефіцієнти усереднення теплових потоків і температур, що відповідають уточненому значенню числа Біо: , ;

– перепад температур у зливка, температури центра й середньомасова:

Цієї середньомасовій температурі відповідає ентальпія сталі:

Збільшення ентальпії зливка в першому періоді нагрівання:

де кДж/кг – ентальпія сталі при температурі посаду

зливків.

Середня щільність теплового потоку в першому періоді нагрівання:

Вт/м².

Тривалість першого періоду нагрівання:

год.

Розрахунок другого періоду нагрівання (при ).

Розбиваємо другий період нагрівання на два інтервали.

Перший інтервал:

від °С до °С.

Другий інтервал:

від °С до °С.

Щільність теплового потоку на границях інтервалів:

Вт/м²;

Вт/ м²;

Вт/м².

Розрахунок першого інтервалу і другого періоду нагрівання.

Орієнтовні значення наприкінці першого інтервалу і другого періоду нагрівання:

– коефіцієнт тепловіддачі

Вт/(м² К);

– число Біо

де Вт/(мК) – коефіцієнт теплопровідності зливка при температурі ;

– знаходимо коефіцієнт усереднення теплових потоків, що відповідає розрахованому вище значенню числа Біо:

;

– перепад температур по перетині зливка

°С;

– температура центра зливка

°С.

Уточнені значення:

– коефіцієнт теплопровідності

Вт/(м К),

де Вт/(мК) – коефіцієнт теплопровідності зливка при температурі ;

– число Біо

– знаходимо коефіцієнти усереднення теплових потоків і температур, що відповідають уточненому значенню числа Біо: ,

– перепад температур у зливку, температури центра й сереньомасова:

°С;

°С;

°С.

Цієї середньомасовій температурі відповідає ентальпія сталі:

кДж/кг.

Збільшення ентальпії в першому інтервалі другого періоду нагрівання:

кДж/кг.

Середня щільність теплового потоку в першому інтервалі другого періоду нагрівання:

Вт/м².

Тривалість першого інтервалу і другого періоду нагрівання:

год.

Розрахунок другого інтервалу і другого періоду нагрівання.

Збільшення ентальпії зливка в другому інтервалі другого періоду нагрівання:

кДж/кг,

де кДж/кг – ентальпия сталі, що відповідає її кінцевій середньомасовій температурі.

Середня щільність теплового потоку:

Вт/м².

Тривалість другого інтервалу другого періоду нагрівання:

год.

Загальна тривалість нагрівання зливків, година:

год.

2.1.2 Побудова температурної й теплової діаграми процесу

Розрахунок початкового інерційного періоду нагрівання.

Тривалість початкового інерційного періоду нагрівання:

де Вт/(мК) – коефіцієнт теплопровідності стали при температурі посаду металу у піч ( ); кДж/(кгК) – середня питома теплоємність стали в інтервалі температур від 0 до .

Щільність теплового потоку наприкінці інерційного періоду:

Вт/ м²;

Вт/(м² К);

.

Знаходимо коефіцієнти, що відповідають цьому значенню числа Біо:

, .

Орієнтовний перепад температур по товщині зливка й температура поверхні наприкінці інерційного періоду:

°С;

°С.

Середній коефіцієнт теплопровідності в інерційному періоді:

Вт/(мК),

де Вт/(мК) – коефіцієнт теплопровідності стали при .

Уточнені значення перепаду температур по товщині зливка, температур поверхні й середньомасовій наприкінці інерційного періоду:

°С;

°С;

°С.

Визначення температур диму, печі й кладки на границях інтервалів.

Температура кладки на границях інтервалі:

°С;

Температури диму наприкінці першого й другого інтервалів другого періоду нагрівання визначається методом послідовних наближень.

1 – температура димових газів; 2 – температура печі; 3 – температура кладки; 4 – температура середини злитка; 5 – температура центра злитка 6 – температура поверхні злитка.

Рисунок 2.1  - Температурна і теплова діаграми нагріву злитків в рекуперативному нагрівальному колодязі з опалюванням із центру поду

Результати розрахунку.

Температура диму:

°С; °С; °С; °С.

Результати розрахунку нагрівання зливків у нагрівальному колодязі представляємо у вигляді температурної й теплової діаграми.

2.1.3 Розрахунок теплових потужностей

Розрахунок потужності холостого ходу.

Потужність холостого ходу робочої камери визначається по формулі:

, (2.6)

де – сумарні втрати теплоти робочою камерою;

– теплові втрати теплопровідністю через кладку печі;

– втрати теплоти випромінюванням з робочого простору печі через відкриті вікна димоходів;

– теплові втрати теплопровідністю через кладку бічних стін і під робочої камери;

– теплові втрати теплопровідністю через кладку кришки колодязя.

Розрахунок втрат теплоти теплопровідністю.

Приймаємо, що футеровка нагрівального колодязя складається із двох шарів: перший шар м – вогнетривкий матеріал (шамот), другий шар м – теплова ізоляція (пористий шамот). Кришка колодязя виконана із шамоту товщиною м.

Відомо, що максимальні втрати теплоти мають місце наприкінці першого періоду нагрівання. Тоді теплові втрати через кладку бічних стін і під колодязя визначаються як:

, (2.7)

де – коефіцієнт теплопередачі через кладку стін і під,

– температура кладки наприкінці першого періоду нагрівання, °С; – температура зовнішнього повітря, °С; – зовнішня поверхня кладки бічних стін і поду колодязя, м²;

 0,035 (м²К)/Вт; і – середні коефіцієнти теплопровідності шарів вогнетривкого й ізоляційного матеріалу кладки, Вт/(м К).

Приймаємо орієнтовну температуру між шарами футеровки:

°С.

Орієнтовні середні температури першого й другого шарів:

°С;

°С;

Вт/(м К);

Вт/(м К);

Вт/(м² К).

Зовнішня поверхня стін колодязя:

м².

Поверхня поду:

м².

Зовнішня поверхня бічних стін і поду камери колодязя:

м².

Теплові втрати через кладку бічних стін і під колодязя:

Вт/м².

Теплові втрати теплопровідністю через кладку кришки колодязя визначаються як:

, (2.8)

де – поверхня кришки колодязя, м²; – коефіцієнт теплопередачі через кришку:

Вт/(м²К).

Середня температура по товщині кришки:

°С.

Середні коефіцієнти теплопровідності кришки:

Вт/(м К);

;

Вт/ м².

Теплові втрати теплопровідністю через кладку печі:

Вт/м².

Теплові втрати випромінюванням через вікна з робочої камери в рекуператори.

Теплові втрати випромінюванням з робочої камери визначаються так:

Вт/м².

Площа двох вікон з робочої камери в надсадочний простір:

м²,

де коефіцієнт 0,5 ураховує, що половина прорізів у наднасадочному просторі заповнений стовпчиками.

Приймаємо, що температура у наднасадочному просторі на 100 градусів нижче температури робочого простору печі, тобто:

°С;

Вт/ м².

Втрати через стіни у наднасадочному просторі малі у порівнянні із втратами від випромінювання в рекуперативні камери. Додаючи 10 % на невраховані втрати, одержимо загальні втрати камери:

Вт/ м².

Потужність холостого ходу наприкінці першого періоду нагрівання:

кДж/год.

Середнє значення КВП за перший період нагрівання:

.

Середні теплові втрати робочої камери:

кДж/год.

Розрахунок максимальної теплової потужності колодязя.

Максимальна робоча теплова потужність складе:

кДж/год.

Максимальна загальна теплова потужність камери:

кДж/год.

Максимальна подача газу в камеру:

м³/год.

Максимальна подача повітря:

м³/м³.

Максимальний вихід диму:

м³/м³.

Розрахунок мінімальної теплової потужності колодязя.

Мінімальна робоча потужність наприкінці нагрівання зливка:

кДж/год.

Мінімальна загальна теплова потужність наприкінці нагрівання:

кДж/год.;

м³/год.;

м³/ м³;

м³/ м³.

Розрахунок середньої теплової потужності колодязя.

Ємність камери:

кг.

Теплотехнічна продуктивність камери:

кг/год.

Середня необхідна потужність:

кДж/кг.

Середня робоча потужність:

кДж/кг.

Середня загальна теплова потужність колодязя:

кДж/кг.

Середня годинна подача газу:

м³/год.

Середня годинна подача повітря для спалювання газу:

м³/год.

Вихід продуктів згоряння горючого газу:

м³/год.

Коефіцієнт корисної дії печі по теплоті палива:

%.

Витрата теплоти на 1 т зливків:

кДж/т.

Витрата умовного палива, кг у. пал.:

кг.

2.1.4 Тепловий баланс робочої камери за весь процес нагрівання. Розрахунок статей приходу теплоти.

Хімічна теплота від горіння палива:

кДж.

Фізична теплота підігрітого повітря для горіння палива при °С

кДж,

де кДж/ м³;

кДж/м³ – ентальпія продуктів згоряння при температурі

°С.

Розрахунок статей витрати теплоти.

Теплота, засвоєна металом за нагрівання:

кДж.

Теплові втрати робочої камери:

кДж.

Теплота, що виноситься з робочого простору печі з димом:

кДж,

де кДж/м³ – ентальпія продуктів згоряння при температурі:

°С.

Теплота, що виноситься продуктами горіння від спалювання палива в димар:

кДж.

Результати розрахунку зводимо в табл. 1.4 і 1.5.

Таблиця 2.4 - Тепловий баланс робочої камери

Статті	Прихід теплоти		Статті	Витрата теплоти
	106 кДж	%		106 кДж	%
Хімічна теплота від горіння палива	153,65	82,6	Теплота, засвоєна металом за нагрівання	66,45	35,64
Фізична теплота газу	0	0	Теплові втрати робочої камери	15,04	8,07
Фізична теплота підігрітого повітря для горіння палива	32,36	17,4	Теплота, що виноситься з робочого простору печі димом, що йде	104,96	56,29
Разом	186,1	100	Разом	186,45	100

Нев'язка

Таблиця 2.5 - Тепловий баланс печі

Статті	Прихід теплоти		Статті	Витрата теплоти
	106 кДж	%		106 кДж	%
Хімічна теплота від горіння палива	154,5	100	Теплота, засвоєна металом за нагрівання	66,45	42,15
			Теплові втрати робочої камери	15,04	9,54
			Теплота, що виноситься продуктами горіння від спалювання палива в димар	76,15	48,31
Разом	154,5	100	Разом	154,44	100

Нев'язка

2.1.5 Заходи щодо підвищення енергетичної ефективності роботи рекуперативного нагрівального колодязя

В основній частині даного дипломного проекту зроблений проектний розрахунок теплової роботи рекуперативного нагрівального колодязя «ПЦ-1» ПАТ «ЄВРАЗ-ДМЗ ім. Петровського». З теплового балансу колодязя видно, що незважаючи на підігрів повітря тепло, відносно димових газів досить велике. Для підвищення ефективності використання палива й зниження витрат на нагрівання, пропонується встановити в димовий боров кожного осередку один рекуператор для підігріву газу, що йде на горіння. Тому що паливом для колодязя слугує коксодоменна суміш, то температуру підігріву газу приймаємо рівної 200 °С. Для розрахунку рекуператора, що буде підігрівати газ необхідно знати температуру диму після керамічного повітряного рекуператора. Для визначення температури диму після керамічного повітряного рекуператора зробимо його розрахунок.

2.1.6 Розрахунок керамічного трубчастого рекуператора для нагрівання повітря

Рекуператор розраховується на максимальну витрату повітря. У керамічному рекуператорі нагрівається.

Витрата диму перед рекуператором

Температура диму перед входом у рекуператор

Температура повітря: початкова , кінцева .

Витрата повітря, що подається в рекуператор з урахуванням витоку через його нещільності. Приймаємо величину витоків -10 %, тоді:

Розрахункова кількість повітря:

Витрата продуктів горіння після рекуператора:

Розрахункова кількість продуктів горіння:

Температура продуктів горіння за рекуператором визначається по кінцевої питомої ентальпії продуктів горіння:

, (2.9)

де – коефіцієнт, що враховує втрати тепла рекуператором через конструкції, що обгороджують; його можна приймати рівним. Приймаємо . Цієї ентальпії відповідає температура диму .

Середньологаріфмічний температурний напір:

(2.10)

Коефіцієнт теплопередачі від диму до повітря в рекуператорі визначаємо по формулі:

. (2.11)

Коефіцієнт теплопередачі на димовій стороні .

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією визначаємо для ламінарного руху.

Середня температура диму:

Середня температура повітря:

Середня температура стінки

Середня температура диму в прикордонному шарі:

Температурний напір:

Швидкість руху диму в трубках рекуператора приймаємо рівної

0,8 м/с. Внутрішній діаметр трубки , тоді:

Визначаємо Вміст газів випромінювачів у димі з урахуванням витоку:

;

Ефективна товщина газового шару:

;

;

По графіках знаходимо ступінь чорноти ;

Ступінь чорноти стінки трубок приймаємо , ступінь чорноти диму:

Наведений коефіцієнт випромінювання:

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням на димовій стороні:

Сумарний коефіцієнт тепловіддачі на димовій стороні:

На повітряній стороні має місце тільки тепловіддача конвекцією, тобто будемо розраховувати тільки . Приймаємо ширину рекуператора рівній ширині робочого простору осередки 2,835 м, а вхід повітря в рекуператор через чотири яруси кладки рекуператора по висоті.

Число труб у напрямку, перпендикулярному напрямку рухів повітря:

, (2.12)

де поперечний крок труб рекуператора.

Площа чотирьох ярусів для проходу повітря:

,

де - висота ярусу; - ширина вільного проходу між керамічними трубками.

Швидкість руху повітря в рекуператорі:

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією на повітряній стороні розраховуємо по формулі:

. (2.13)

Товщина стінки трубки , беремо .

Матеріал трубки - шамот, для якого

Коефіцієнт теплопередачі по (2.3):

Поверхня нагрівання рекуператора:

; (2.14)

; ;

Перетин для проходу продуктів горіння:

Кількість трубок у горизонтальному перетині рекуператора:

Кількість рядів трубок у напрямку рухів повітря:

Середній діаметр керамічної трубки:

Висота рекуператора:

Число ходів по повітрю:

Приймаємо 2 ходи по повітрю, що забезпечить більш високий підігрів повітря в порівнянні з розрахунковим; крім того рекуператор зможе прийняти більшу витрату повітря, якщо в цьому виникне необхідність.

Перетин рекуператора при довжині його:

.

З розрахунку керамічного повітряного рекуператора видно, що температура диму після нього рівна досить висока, тому доцільно установка металевого петлевого трубчастого рекуператора для підігріву газу, що йде на горіння. Розрахунок рекуператора наведений нижче.

2.1.7 Розрахунок рекуператора для підігріву газу

Проектуємо металевий рекуператор із труб діаметром . з коридорним розташуванням їх і кроком Рух газу здійснюється по трубах диму – між трубами.

Вихідні дані для розрахунків:

Годинна витрата газу (максимальна) ;

Температура підігріву газу ;

Температура продуктів горіння за повітряним рекуператором

;

Розрахунок.

Витрата диму після керамічного повітряного рекуператора з урахуванням підсмоктування повітря в кабанах складе

Температура продуктів горіння за рекуператором:

.

Чому і відповідає температура диму .

Середньологаріфмічний температурний напір:

.

Для визначення коефіцієнта теплопередачі спочатку знайдемо .

Середня температура диму:

.

Приймаємо швидкість диму .:

при , при , :

Визначаємо

приймаємо

Зневажаючи випромінюванням газу, одержимо:

По відомим і визначаємо коефіцієнт теплопередачі:

Приймаємо

Поверхня нагрівання рекуператора:

Приймаємо

Нижче приводиться компонування рекуператора. Приймаємо висоту рекуператора . Поверхня нагрівання однієї трубки:

Число трубок рекуператора:

Число ходів по газу:

Приймаємо

Число труб у секції:

Число труб у ряді, перпендикулярному руху диму:

Число труб у секції в напрямку руху диму:

Провівши розрахунок рекуператора для підігріву газу, проведемо заново розрахунок нагрівання злитків, з урахуванням підігріву газу. Результати розрахунку представимо у вигляді теплового балансу робочої камери й теплового балансу печі, які представлені в таблиці 2.6 і 2.7. У результаті реконструкції час нагрівання злитків практично не змінилося, тому немає необхідності зміни інструкції з нагрівання злитків у колодязі.

Таблиця 2.6 - Тепловий баланс робочої камери

Статті	Прихід теплоти		Статті	Витрата теплоти
	106 кДж	%		106 кДж	%
Хімічна теплота від горіння палива	145,8	80,62	Теплота, засвоєна металом за нагрівання	66,45	36,8
Фізична теплота газу	4,3	2,4	Теплові втрати робочої камери	14,93	8,3
Фізична теплота підігрітого повітря для горіння палива	30,7	17	Теплота, що видаляться з робочого простору печі димом, що йде	99,12	54,9
Разом	180,8	100	Разом	180,5	100

Таблиця 2.7 - Тепловий баланс печі

Статті	Прихід теплоти		Статті	Витрата теплоти
	106 кДж	%		106 кДж	%
Хімічна теплота від горіння палива	150,27	100	Теплота, засвоєна металом за нагрівання	65,12	43,3
			Теплові втрати робочої камери	14,67	9,8
			Теплота, що видаляться продуктами горіння від спалювання палива в димар	70,49	46,9
Разом	150,27	100	Разом	150,28	100